(57)【要約】  【課題】よりコンパクトで、軽量な熱交換効率の高い熱交換器を提供するものである。  【解決手段】熱交換器１Ｘは複合管１からなり、複合管１は、二酸化炭素が流動する流路２を複数本並列に並べた多穴管３と、水が流動する異型管４と備え、多穴管３を放射状に４個配設して、多穴管３の周方向間に異型管４を４個設置し、直管部１ａを捩って固着することにより、曲管部１ｂの曲げＲを小さくして熱交換器１Ｘのコンパクト化を図るとともに、製造時のコスト削減、軽量化を図り、熱源の多穴管あるいは管群のほぼ全体から接する異型管内部を流れる流体に伝熱し、捩りで伝熱促進効果を奏して、熱交換効率を高くすることができる。また、複合管１の多穴管３と異型管４が異種金属でも、曲管部１ｂで熱応力を緩和して熱交換器１Ｘの亀裂や変形を防止できる【選択図】図１
2005300090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体Ａが流通する多穴管あるいは複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、前記多穴管あるいは管群の周方向間に流体Ｂが流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管あるいは管群と前記異型管が互いに接した複合管からなり、前記複合管の直管部の前記多穴管あるいは管群と前記異型管を捩ることを特徴とした熱交換器。
【請求項２】
流体Ａが流通する多穴管あるいは複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、前記多穴管あるいは管群の周方向間に流体Ｂが流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管あるいは管群と前記異型管が互いに接した複合管からなり、前記複合管の直管部が略平行に並ぶように、前記直管部と曲管部を連続して設け、互いに隣り合う前記直管部の前記多穴管あるいは管群と前記異型管を、一括して拘束する拘束部材を有することを特徴とした熱交換器。
【請求項３】
流体Ａが流通する多穴管あるいは複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、前記多穴管あるいは管群の周方向間に流体Ｂが流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管あるいは管群と前記異型管が互いに接した複合管からなり、前記多穴管あるいは管群と前記異型管とは異種金属で、前記複合管の直管部の前記多穴管あるいは管群と前記異型管を固着することを特徴とした熱交換器。
【請求項４】
曲管部の最小曲げ部は、異型管の外周上にあることを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
多穴管あるいは管群を、アルミニウム系の材料とすることを特徴とした請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とすることを特徴とした請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などにおいて、液体と冷媒との熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ヒートポンプ式給湯機用の水と冷媒を熱交換させるための熱交換器などは、給湯器本体のコンパクト化、低価格化に対する市場要望に対応するため、熱交換器本体のコンパクト・高性能化や、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が一層求められている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
以下、図面を参照しながら、従来から知られているヒートポンプ式給湯機用の水熱交換器を説明する。
【０００４】
図９は特許文献１に記載された従来の熱交換器の縦断面図である。図９に示すように、従来の熱交換器１００は、内部に水が流動する銅製の扁平管１０１と、内部にＣＯ２冷媒が流動する管１０２を備え、複数本の管１０２を、扁平管１０１に設けた螺旋状の溝に埋設して一体化し、その後、全体を螺旋状に巻いた構成である。扁平管１０１と管１０２は銅製で、管１０２から扁平管１０１に無駄なく伝熱する熱交換効率の高い熱交換器である。
【０００５】
図１０は特許文献２に記載された従来の他の熱交換器の概略構成図である。図１０に示すように、従来の熱交換器２００は、内部に水が流動する銅製の扁平管２０１と、アルミニウム製の内部にＣＯ２冷媒が流動する扁平多穴管２０２を備え、扁平管２０１と扁平多穴管２０２との扁平面を合わせて螺旋状に巻いた構成で、扁平多穴管２０２により、高圧なＣＯ２冷媒に対して耐圧強度を確保しつつ、冷媒管の寸法増大を抑えた熱交換器である。
【０００６】
以上のように構成された上記２つの熱交換器について、以下その動作を説明する。
【０００７】
通常、扁平管１０１と管１０２、または、扁平管２０１と扁平多穴管２０２は、熱の授受を行い、高温の冷媒からの熱で低温の水を加温する。また、どちらか一方が腐食して穴が空いた場合でも、冷媒管と水管を独立した管で構成したことにより、水に異物が混入しない構造となっている。
【特許文献１】特開２００３−２４７７４７号公報
【特許文献２】特開２００２−１０７０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の熱交換器１００の構成では、扁平管１０１は、複数本の管１０２を捩った状態で埋設して一体化したため、扁平管１０１は硬くなり、螺旋状に巻くには、製造上可能な最小曲率半径が大きくなることから、熱交換器の体積が大きくなるという課題を有していた。
【０００９】
また、上記従来の水熱交換器２００の構成では、扁平管２０１と扁平多穴管２０２を交互に重ねているため、熱交換効率を高めようとすると、巻き数を増やして熱交換器の体積が大きくなるという課題があった。また、扁平管２０１と扁平多穴管２０２の内部に流動する流体の温度が大きく異なる場合、異種金属では熱膨張の度合いが異なるため、接合部分で熱応力が生じる。そのため、熱交換器に亀裂や変形が生じるという課題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、よりコンパクトで、軽量な熱交換効率の高い熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、流体Ａが流通する多穴管あるいは複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、多穴管あるいは管群の周方向間に流体Ｂが流通する異型管を複数個設置し、多穴管あるいは管群と異型管が互いに接した複合管からなり、複合管の直管部の多穴管あるいは管群と異型管を捩るものである。
【００１２】
これによって、曲管部は捩りによる加工硬化がないので、曲げＲを小さくすることができ、直管部を捩ることで、溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束部材等なしで多穴管あるいは管群と異型管を固着できる。また、捩ると、熱交換器内部の流体は旋回流となり乱流化を促進できる。流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とした場合、二酸化炭素からの熱を、多穴管あるいは管群のほぼ全体から接する異型管の内部を流れる水に伝熱することができる。
【００１３】
また、本発明の熱交換器は、複合管の直管部が略平行に並ぶように、直管部と曲管部を連続して設け、互いに隣り合う直管部の多穴管あるいは管群と異型管を、一括して拘束する拘束部材を有するものである。
【００１４】
これによって、曲管部は拘束部材がないので、曲げＲを小さくすることができ、直管部に拘束部材を有することで、溶接、ロウ付け、はんだ付けなしで、多穴管あるいは管群と異型管を固着できる。また、互いに隣り合う直管部を一括して拘束することで、製造時の工数を低減できる。また、熱交換器の全体形状が固定できるので、製品への組込み時、作業が容易になる。また、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とした場合、二酸化炭素からの熱を、多穴管あるいは管群のほぼ全体から接する異型管の内部を流れる水に伝熱することができる。
【００１５】
また、本発明の熱交換器は、複合管の多穴管あるいは管群と異型管とは異種金属で、複合管の直管部の多穴管あるいは管群と異型管を固着するものである。
【００１６】
これによって、内部流体の温度変化により異種金属の伸縮する長さが異なるため、多穴管あるいは管群と異型管との接合部分に熱応力が生じた場合でも、固着していない曲管部で熱応力を緩和できる。また、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とした場合、二酸化炭素からの熱を、多穴管あるいは管群のほぼ全体から接する異型管の内部を流れる水に伝熱することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の熱交換器は、複合管の曲管部を捩らないことで、熱交換器のコンパクト化を図るとともに、直管部を捩ることで、ロウ付け不要で多穴管あるいは管群と異型管を固着できるため、製造時のコスト削減と、軽量化を図ることができる。また、熱交換効率を高くすることができる。
【００１８】
また、本発明の熱交換器は、複合管の直管部が略平行に並ぶように、直管部と曲管部を連続して設け、互いに隣り合う直管部の多穴管あるいは管群と異型管を、一括して拘束する拘束部材を有するので、曲管部の曲げＲを小さくすることで、熱交換器のコンパクト化を図るとともに、一括して拘束する部材により、ロウ付け不要で多穴管あるいは管群と異型管を固着でき、部材取付けや組込み時の工数も低減できるため、製造時のコスト削減と、軽量化を図ることができる。また、熱交換効率を高くすることができる。
【００１９】
また、本発明の熱交換器は、複合管の多穴管あるいは管群と異型管とは異種金属で、複合管の直管部の多穴管あるいは管群と異型管を固着するので、曲管部で熱応力を緩和して、熱交換器に亀裂や変形が生じることを防止できる。また、熱交換効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
請求項１に記載の発明は、流体Ａが流通する多穴管あるいは複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、前記多穴管あるいは管群の周方向間に流体Ｂが流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管あるいは管群と前記異型管が互いに接した複合管からなり、前記複合管の直管部の前記多穴管あるいは管群と前記異型管を捩るものであり、これによって、曲管部は捩りによる加工硬化がなく、曲げＲを小さくすることができ、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。また、直管部を捩ることで、溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束部材等をなしで多穴管あるいは管群と異型管を固着できるため、製造時のコスト削減を図るとともに、軽量化を図ることができる。また、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とした場合、二酸化炭素からの熱を、多穴管あるいは管群のほぼ全体から接する異型管の内部を流れる水に伝熱することができ、さらに捩ることで、熱交換器内部の流体は旋回流となり乱流化を促進できるため、熱交換効率を高くすることができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、流体Ａが流通する多穴管あるいは複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、前記多穴管あるいは管群の周方向間に流体Ｂが流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管あるいは管群と前記異型管が互いに接した複合管からなり、前記複合管の直管部が略平行に並ぶように、前記直管部と曲管部を連続して設け、互いに隣り合う前記直管部の前記多穴管あるいは管群と前記異型管を、一括して拘束する拘束部材を有するものであり、これによって、曲管部は拘束部材がないので、曲げＲを小さくすることができ、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。また、直管部を一括して拘束する拘束部材を有することで、ロウ付け不要で多穴管あるいは管群と異型管を固着でき、熱交換器の全体形状も固定できるので、部材取付けや組込み時の工数も低減できるため、製造時のコスト削減と、軽量化を図ることができる。また、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とした場合、二酸化炭素からの熱を、多穴管あるいは管群のほぼ全体から接する異型管の内部を流れる水に伝熱することができるため、熱交換効率を高くすることができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、流体Ａが流通する多穴管あるいは複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、前記多穴管あるいは管群の周方向間に流体Ｂが流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管あるいは管群と前記異型管が互いに接した複合管からなり、前記多穴管あるいは管群と前記異型管とは異種金属で、前記複合管の直管部の前記多穴管あるいは管群と前記異型管を固着するものであり、内部流体の温度変化で異種金属の伸縮する長さが異なるため、多穴管あるいは管群と異型管との接合部分に熱応力が生じた場合でも、固着していない曲管部で熱応力を緩和して、熱交換器に亀裂や変形が生じることを防止できる。また、流体Ａを二酸化炭素とし流体Ｂを水とした場合、二酸化炭素からの熱を、多穴管あるいは管群のほぼ全体から接する異型管内部を流れる水に伝熱するこができるため、熱交換効率を高くすることができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、曲管部の最小曲げ部は、異型管の外周上に位置するものであり、放射状に配設した多穴管、管群に比して、異型管は曲げ時の高さ方向の寸法、肉厚が小さいため、曲げＲを小さくすることができ、さらに、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、多穴管あるいは管群を、アルミニウム系の材料とするものであり、二酸化炭素が流通する多穴管あるいは管群をアルミニウム系材料とすることで大幅に軽量化を図ることができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とするものであり、ヒートポンプ給湯器用の水・冷媒熱交換器として使用することで高いヒートポンプ効率を得ることができる。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。なお、この実施の形態によって、この発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の平面図であり、図２は、図１の曲管部におけるＡ−Ａ線断面図である。図３は、同実施の形態における直管部の要部斜視図、図４は、曲管部の要部斜視図である。図５は、同実施の形態における他の熱交換器の平面図である。
【００２８】
図１から図４において、熱交換器１Ｘは複合管１からなり、複合管１は、内部に二酸化炭素が流動する流路２を複数本並列に並べた多穴管３と、内部に水が流動する異型管４と備え、多穴管３を放射状に４個配設して、多穴管３の周方向間に異型管４を４個設置している。そして、多穴管３と異型管４は熱伝導するように互いに接している。熱交換器１Ｘの全体形状は、複合管１の直管部１ａと曲管部１ｂを連続して設けたサーペンタイン状である。複合管１の端部には、放射状に配設した多穴管３の分流器５、合流器６と、異型管４の分流器７、合流器８を取付けている。直管部１ａは、放射状の略中心９を中心として多穴管３と異型管４を捩って固着し、曲管部１ｂは捩らず接するだけで、異型管４を内側にして曲げている。曲管部１ｂの最小曲げ部１０は、異型管４の外周上で、かつ、複合管１の外周の、略中央に位置している。多穴管３は、熱伝導性が良く、軽量なアルミニウム合金の押出し加工品で、異型管４は耐食性、熱伝導性の良い銅の引抜き加工品である。
【００２９】
以上のように構成された熱交換器１Ｘについて、以下その動作を説明する。
【００３０】
複合管１の多穴管３の複数の流路２の内部を二酸化炭素が、異型管４の内部を水が各々流体として対向して流れ、多穴管３の外壁と、異型管４の外壁を介して水と二酸化炭素が熱交換する。
【００３１】
以上のように本実施の形態の熱交換器１Ｘは、放射状の略中心９を中心として、複合管１の直管部１ａの多穴管３と異型管４を捩ることにより、曲管部１ｂは捩りによる加工硬化がなく、直管部１ａに比して曲げＲを小さくすることができ、熱交換器１Ｘのコンパクト化を図ることができる。
【００３２】
また、直管部１ａを捩ることで、溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束部材等がなしで多穴管３と異型管４を固着でき、製造時のコスト削減と、軽量化を図ることができる。
【００３３】
また、図２に示すように、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とした場合、二酸化炭素からの熱を、多穴管３のほぼ全体から接する異型管４の内部を流れる水に伝熱することができ、さらに直管部１ａを捩ることで、熱交換器１Ｘ内部の流体は旋回流となり乱流化を促進できるため、熱交換効率を高くすることができる。
【００３４】
また、複合管１の多穴管３と異型管４とは異種金属のため、二酸化炭素と水の温度変化でアルミニウムと銅の伸縮する長さが異なり、接合部分に熱応力が生じても、捩らず接するのみで固着していない曲管部１ｂを設けることにより、曲管部１ｂで熱応力を緩和して、熱交換器１Ｘの亀裂や変形を防止できる。
【００３５】
また、曲管部１ｂの最小曲げ部１０を、異型管４の外周上で、かつ、熱交換器１Ｘの外周の、略中央に位置して曲げることにより、放射状に配設した多穴管３に比して、異型管４は曲げ時の高さ方向の寸法、肉厚が小さいため、曲げＲを小さくすることができ、さらに、熱交換器１Ｘのコンパクト化を図ることができる。
【００３６】
また、多穴管３を熱伝導性が良く、軽量なアルミニウム合金とすることにより、二酸化炭素への耐圧を鑑みた肉厚を考慮しても、熱交換器１Ｘの大幅な軽量化を図ることができる。
【００３７】
尚、多穴管３はアルミニウム合金、異型管４は銅製だが、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄等でも同様な効果を得る。冷媒が流通する多穴管３は、好ましくは熱伝導性の良い材料（例えば銅、アルミニウム）で、異型管４は、好ましくは耐食性の良い材料（例えば銅、ステンレス）で作るものがよい。尚、多穴管３と異型管４を同種の金属とする場合、熱応力への懸念がなくなる。
【００３８】
尚、本実施の形態では多穴管３を用いたが、管を複数本並列に並べた管群（図示せず）でも同様な効果を得る。特に丸管は量産が容易であり、製造時のコストを低減することができる。また、放射状に配設した多穴管３を、放射状の略中心９で結合した１つの部材（図示せず）としてもよい。多穴管３と異型管４を組み合わせる工数を低減できる。
【００３９】
尚、本発明の実施の形態では、全体形状をサーペンタイン状の薄型の熱交換器１Ｘとして示したが、サーペンタインの形状を多段に重ねても、図５のような四角い渦巻状としても同様な効果を得る。
【００４０】
尚、本発明の実施の形態では、多穴管３内を流通する流体Ａを二酸化炭素、異型管４内を流通する流体Ｂを水としたが、これに限らず、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等その他の高圧冷媒と水や、温度差を持つ同一流体間の熱交換に用いても同様な効果を得る。
【００４１】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における熱交換器の平面図であり、図７は、図６の曲管部におけるＢ−Ｂ線断面図である。図８は、同実施の形態における他の熱交換器の平面図である。
【００４２】
図６、図７において、熱交換器１Ｘは複合管１からなり、複合管１は、内部に二酸化炭素が流動する流路２を複数本並列に並べた多穴管３と、内部に水が流動する異型管４と備え、多穴管３を放射状に４個配設して、多穴管３の周方向間に異型管４を４個設置している。そして、多穴管３と異型管４は熱伝導するように互いに接している。熱交換器１Ｘの全体形状は、複合管１の直管部１ａが略平行に並ぶように、直管部１ａと曲管部１ｂを連続して設けたサーペンタイン状である。２枚の拘束部材１１で、略平行に並んだ直管部１ａを両側から挟み込み、ビス１２で締めて、互いに隣り合う直管部１ａの多穴管３と異型管４を一括して拘束している。複合管１の端部には、放射状に配設した多穴管３の分流器５、合流器６と、異型管４の分流器７、合流器８を取付けている。直管部１ａは、拘束部材１１で多穴管３と異型管４を固着し、曲管部１ｂは拘束部材なしで接するだけとして、異型管４を内側にして曲げている。曲管部１ｂの最小曲げ部１０は、異型管４の外周上で、かつ、複合管１の外周の、略中央に位置している。
【００４３】
以上のように構成された熱交換器１Ｘについて、以下その動作を説明する。
【００４４】
複合管１の多穴管３の複数の流路２の内部を二酸化炭素が、異型管４の内部を水が各々流体として対向して流れ、多穴管３の外壁と、異型管４の外壁を介して水と二酸化炭素が熱交換する。
【００４５】
以上のように本実施の形態の熱交換器１Ｘは、複合管１の直管部１ａが略平行に並ぶように、直管部１ａと曲管部１ｂを連続して設け、互いに隣り合う直管部１ａの多穴管３と異型管４を、一括して拘束する拘束部材１１を有することにより、曲管部１ｂは拘束部材１１分の厚みがないので、直管部１ａに比して曲げＲを小さくすることができ、熱交換器１Ｘのコンパクト化を図ることができる。
【００４６】
また、直管部１ａを一括して拘束することにより、溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束材等がなしで多穴管３と異型管４を固着でき、熱交換器１Ｘの全体形状も固定できるので、部材取付けや組込み時の工数も低減できるため、製造時のコスト削減と、軽量化を図ることができる。
【００４７】
尚、本発明の実施の形態では、２枚の拘束部材１１はビス１２で締めたが、数箇所カシメることで結合してもよい。部品点数を低減できる。
【００４８】
尚、本発明の実施の形態では、全体形状をサーペンタイン状の薄型の熱交換器１Ｘとして示したが、サーペンタインの形状を多段に重ねて拘束部材の枚数を増やしたり、図８のような、四角い渦巻状としても同様な効果を得る。
【００４９】
ここで、例えば複合管１の多穴管３、異型管４が異種金属で、接合部分に熱応力が生じた場合でも、拘束部材１１がなく固着していない曲管部１ｂで熱応力を緩和できるので、熱交換器１Ｘの亀裂や変形を防止できる。また、熱応力を緩和する部位を設けるという観点であれば、直管部１ａのみ多穴管３と異型管４を固着する手段は、拘束部材に限らず、ロウ付けでも同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、複合管の直管部を、捩ったり、一括して拘束する拘束部材で固着することで、曲管部の曲げＲを小さくして熱交換器のコンパクト化を図るとともに、製造時のコスト削減と、軽量化を図ることができ、熱源の多穴管あるいは管群のほぼ全体から接する異型管内部を流れる流体に伝熱し、捩りや拘束部材でも伝熱促進効果を奏して、熱交換効率を高くすることができる。また、複合管の多穴管あるいは管群と異型管が異種金属でも、曲管部で熱応力を緩和して熱交換器の亀裂や変形を防止できるので、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の平面図
【図２】図１の曲管部におけるＡ−Ａ線断面図
【図３】同実施の形態における直管部の要部斜視図
【図４】同実施の形態における曲管部の要部斜視図
【図５】同実施の形態における他の熱交換器の平面図
【図６】本発明の実施の形態２における熱交換器の平面図
【図７】図６の曲管部におけるＢ−Ｂ線断面図
【図８】同実施の形態における他の熱交換器の平面図
【図９】従来の熱交換器の縦断面図
【図１０】従来の他の熱交換器の概略構成図
【符号の説明】
【００５２】
１Ｘ  熱交換器
１    複合管
３    多穴管
４    異型管
１ａ  直管部
１ｂ  曲管部
１０  最小曲げ部
１１  拘束部材
【図１】
2005300090.tif 000003
【図２】
2005300090.tif 000004
【図３】
2005300090.tif 000005
【図４】
2005300090.tif 000006
【図５】
2005300090.tif 000007
【図６】
2005300090.tif 000008
【図７】
2005300090.tif 000009
【図８】
2005300090.tif 000010
【図９】
2005300090.tif 000011
【図１０】
2005300090.tif 000012